深部 III · 岩石循环与地球化学分异

学习层：用三个箱体追踪一块岩石的去向

1. 具体情境：一块新鲜火成岩如何回到深部

把地表的一段岩石圈简化成三个储库：火成岩、沉积物和变质岩。抬升与暴露让火成岩风化，沉积物被埋藏并成岩，变质岩在更深处熔融或再循环回到火成储库。研究者想知道的是：提高某一过程的速率，会把库存推向哪里？系统总质量是否仍然守恒？

实验中的库存和速率是无量纲教学设定，以“相对质量单位”和“每百万年”计；它不是全球岩石质量清单，也不是某一地点的地球化学预算。真实通量必须说明区域、元素、矿物相、时间窗和分析方法。

2. 揭示前预测：循环、分配与守恒

在揭示之前，先预测：

1. 只要每一条通量都从一个箱体进入另一个箱体，三个箱体总库存会增加、减少，还是保持不变？
2. 提高火成岩风化速率，短期内沉积物库存更可能上升还是下降？
3. 若埋藏比熔融快，变质岩库存会怎样变化？“有循环”是否自动意味着达到稳态？

揭示后图中的箭头宽度对应当前通量，箱体高度对应库存。箭头粗并不意味着该过程在真实地球上普遍更快；它只表达当前教学参数的相对大小。

3. 公式桥：箱体守恒与元素账本

令 \(I,S,M\) 分别代表火成岩、沉积物和变质岩库存，通量为风化 \(F_w\)、埋藏 \(F_b\) 和再循环 \(F_m\)，则

相加得到

这只对封闭三箱体成立。若采用一阶过程，例如果风化 \(F_w=k_wI\)、埋藏 \(F_b=k_bS\)、再循环 \(F_m=k_mM\)，每个 \(k\) 的单位是 \(\mathrm{Myr}^{-1}\)。库存分配的时间尺度大约是 \(1/k\)，但多箱体系统的慢模态可能比任何单个 \(1/k\) 都长。

元素浓度还要单独记账。若某元素在箱体 \(j\) 中的库存是 \(X_j=M_j c_j\)，则通量应写成质量通量乘以来源端浓度；熔融、结晶、吸附和有机配体会让不同元素的 \(c_j\) 不同，这就是地球化学分异的来源之一。

数量级上，单次喷发或一场侵蚀事件可以在年到千年尺度改变局地通量，而岩石圈大规模再循环常在百万年到亿年尺度表达。不要拿一次暴雨的沉积量直接和全球地质通量比较。

4. 互动实验：观察库存重新分配而不是只看一条曲线

5. 边界：岩石循环不是封闭的三箱体

• 开放边界：火山脱气、热液交换、风化输入、生物搬运和沉积物输出会让总库存或元素库存跨越模型边界。
• 分类不是过程：一块岩石可以经历多次变质、部分熔融、混合和再结晶；三类名称不记录完整历史。
• 通量有选择性：石英、黏土矿物、碳酸盐和有机碳不会以同一比例随侵蚀、沉积和熔融移动；质量守恒不等于每个元素都按同一比例守恒。
• 稳态不必然存在：气候、海平面、构造抬升和生物活动改变 \(k\)；过程间的反馈会产生时变、阈值或多个状态。

封闭箱体的闭合误差只能说明代码按设定守恒，不能证明真实地球系统封闭。地球化学反演还需要同位素、元素比、矿物学和物源证据共同约束。

6. 迁移：从岩石箱体到碳和营养元素

把某个箱体换成海洋碳酸盐、陆地有机碳或磷库，公式仍可用；但必须把“岩石质量通量”与“元素质量通量”分开，并写清生物圈、海洋和大气的边界。

迁移题：如果风化通量增加但沉积物库存没有增加，可能是哪一条输出通量同步增强？如果某元素在熔融时优先进入熔体，如何在账本里增加分配系数而不破坏总质量守恒？哪些独立同位素证据能把“源区改变”和“过程速率改变”区分开？